纖維和複合材料行業｜複合材料的維修和保養

今天，我們生活在一個全球化時代，在這個時代，全球化使各國能夠專注於自己的優勢並走向世界市場，而可持續發展是確保重要裝置和服務持續運轉的一項至關重要的國家能力。

複合材料維修包括透過機械緊固或膠粘劑將纖維增強複合材料層壓板施加到受影響的結構上。

如圖1所示，修補程式轉移了結構中的一部分負載，從而減輕了基礎結構中的應力。複合維修可用於：

恢復或恢復因腐蝕，疲勞裂紋或其他損壞而惡化的結構的強度；

加強結構以增加承載能力；

加強結構以減少撓度或增加屈曲能力；

增加結構的疲勞壽命；或者

補償設計或施工缺陷。

圖1：複合修補程式的原理

複合材料具有出色的抗疲勞和抗腐蝕效能，非常適合許多維修情況。複合材料具有非常高的強度重量比，並且可以為特定應用量身定製正交各向異性材料的效能。修復可以快速進行，並且可以遵循複雜或不規則的表面。不涉及熱作業，因此沒有著火，受熱影響的區域或熱殘餘應力的風險。複合維修通常可以在不中斷服務的情況下進行。例如，傳統的焊接管道維修要求在維修期間關閉管線，而複合維修可以在管線仍在執行時進行。目前可以在墨爾本亞拉河上長336米的Westgate橋上看到用於維持鋼結構和混凝土結構的複合材料的標誌性例子。該橋已經進行了結構加固，總共使用了超過20噸的碳纖維，使其成為世界上最大的碳加固專案之一［3］。

為了確保長期有效，複合材料維修需要仔細設計。儘管在某些專業應用中可以使用硼和芳族聚醯胺，但最常使用玻璃纖維或碳纖維增強材料。為了最大程度地提高修復效率，纖維增強方向應與主載荷路徑對齊。如圖2所示，可以使用不同的修復配置，與更簡單的修補程式修復相比，更復雜的圍巾修復可以減小粘合線的剪下應力。需要小心地使修補膜逐漸變細，以最大程度地減少邊緣的剝離應力，這可能會限制修補強度和耐用性。如圖3所示，通常以所需的厚度，距缺陷的所需長度和錐度表示維修設計。

圖2：修復配置和粘結剪下應力分佈［4］

圖3：代表性的維修尺寸

複合材料可能並不總是適合維修的材料，存在一些影響耐久性和效能的問題，其中包括：

環境因素，包括暴露於化學物質，極端溫度或熱迴圈；

由於維修中使用的材料與基礎結構之間不相容而引起的電偶腐蝕；

作為有機基質材料和粘合劑的防火要求可能燃燒併產生有害氣體；和

破壞行為，因為複合材料可能對撞擊和割傷敏感。

可以透過溼法鋪層或使用預浸料系統將複合材料修補物直接應用於結構，然後就地固化。或者，可以將預固化的層壓板機械固定或粘合到結構上。粘接複合材料的修復首先要依靠高質量的表面處理。該表面必須清潔且無汙染，目的是為粘合劑形成高能表面以形成有效的粘結。在複合材料結構上，此步驟通常包括清除所有損壞的材料並在必要時進行填充，用溶劑清潔，打磨將要貼上的補片區域（通常透過噴砂處理）並確保生成的表面沒有顆粒或其他汙染物。對於金屬和其他材料，使用類似的過程，儘管可以使用底漆以確保良好的附著力。對於粘合維修，粘合劑的選擇至關重要。環氧樹脂是最常用的並且提供最高的效能，但對錶面處理敏感。丙烯酸酯（甲基丙烯酸酯）提供了高強度的粘合，表面處理最少，但是對溫度敏感。聚氨酯具有柔韌性，耐用性和抗衝擊性，但剪下強度較低。

以下是針對高階複合材料可延長資產使用壽命的應用的三個案例研究：

1。澳大利亞澳大利亞公司（ACS Australia）開發了一種用於石油和天然氣行業的複合材料維修夾具。該夾具包括兩個半殼部分，這些半殼部分用螺栓固定在洩漏管的周圍，並且採用了專門設計的密封系統來密封洩漏和壓力。該夾具比傳統的鋼製夾具輕85％，並且具有更高的耐腐蝕性。透過廣泛的靜水壓力測試（包括高溫條件）以及短期和長期的水測試，對複合夾具進行了驗證。該技術是澳大利亞的出口產品，與馬來西亞國家石油公司合作在馬來西亞實施了修理鉗技術。

2。複合雷達反射器皿在惡劣天氣下損壞，導致分層和結構損壞。澳大利亞ACS澳大利亞分公司評估了現場損壞情況，並在我們的內部設施中進行了維修，將複合結構恢復到未損壞的狀態。對於維修至關重要，反射鏡表面的輪廓保持不變。在糾正了對底層蜂窩芯材料的損壞之後，應用了碳纖維環氧圍巾修補層壓板，將雷達反射器恢復到其原始狀態，如圖4所示。

圖4：ACS澳大利亞高階工程師Johannes Straub對複合雷達反射器進行維修

3。澳大利亞澳大利亞證券交易所（ACS）對新管道複合材料外包裹修復系統的DNV要求進行了完整的認證計劃。該系統旨在修復腐蝕的鋼管，並應用於海水中並加熱固化。ACS澳大利亞公司制定了資格鑑定計劃，製造了測試試樣，進行了調理並進行了測試，以驗證在惡劣的工作環境下修補層壓板和粘結層的材料效能以及長期耐用性。如圖5所示，對有代表性的管道進行了壓力測試，以證明其符合相關標準。